黄土高原半干旱区物候变化特征及其对气候变暖的响应*

雷 俊姚玉璧孙 润郭继平牛海洋



黄土高原半干旱区物候变化特征及其对气候变暖的响应*

雷 俊1，2，3，姚玉璧1，2，孙 润2**，郭继平2，牛海洋2

（1．中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，兰州 730020；2．甘肃省定西市气象局，定西 743000；3．成都信息工程大学，成都 610225）

利用黄土高原半干旱区1994-2014年典型植物物候和气温资料，通过相关分析等方法分析典型植物展叶始期、展叶盛期、开花始期、开花盛期等春季物候期和叶初变期、叶全变期、落叶始期、落叶末期等秋季物候期的变化特征，以揭示黄土高原典型植物物候期对气候变暖的响应规律。结果表明：（1）在展叶期，草本植物历史最早和最晚出现日期相差20～36d，木本植物为20～38d；（2）草本植物春季物候期表现为明显的提前趋势，木本植物物候期的变化趋势差异较大，牡丹、旱柳展叶始期提前趋势明显；草本植物叶变色始期、黄枯始期以及木本植物落叶始期等秋季物候期的推迟趋势明显；（3）研究期内牡丹生长季的变化趋势不明显，其余典型植物生长季均一致表现为显著延长趋势（P＜0.05）；（4）典型植物开花始期对前1月、前第3月（车前草为当月）以及春季（3-5月）气温的响应明显，春季气温每升高1℃，植物开花始期提前5～8d。研究结果表明黄土高原草本植物对气候变暖的响应比木本植物更明显，因此，在黄土高原生态脆弱区，选用对气候变化反应较为迟钝的杏树、榆树等乔木进行地区生态恢复重建较适宜。

物候期；木本植物；草本植物；开花始期；生长季；定西

物候学是研究自然界动植物和环境条件的周期变化和相互关系的科学[1]，物候现象反映了当前和过去一段时间生物和环境的综合影响[2]，不仅可以指示季节的变化，还能指示生态系统对环境变化的响应和适应[3]。过去的133a ( 1880-2012年)间，全球地表平均温度升高了 0.85℃ (0.65～1.06℃)，1951-2012年，全球平均地表温度的升温速率为0.12℃·10a-1（0.08～0.14℃·10a-1），几乎是1880年以来升温速率的两倍[4]。中国黄土高原地区对气候变暖的响应更敏感，自然和生态系统对气候变化的适应能力更脆弱。关于物候期对全球变化的响应的研究已成为物候学研究的一个新的领域，也是全球变化研究的热点问题[5]。研究表明，甘肃黄土高原冬小麦、梨树、苹果树春季物候期普遍提前[6]，天水地区苹果叶芽开放、展叶、开花等春季物候期提前14d左右，叶变色期、落叶期等秋季物候期发育期后延2～5d[7]。甘肃民勤荒漠区典型植物的芽初膨大期平均提前8.77d，花蕾花序出现期平均提前8.40d，叶初变色期平均推迟6.26d，落叶始期平均推迟4.52d，春季物候期提前幅度较大[8]。Menzel等[9]对欧洲物候的分析表明，春季物候期提前显著，秋季物候期变化趋势不同地区间存在差异，北美[10]春季物候期的变化趋势与欧洲一致。国内许多学者[11-15]对中国不同地区植物物候期变化趋势的研究表明，春季物候期大多表现为提前的趋势，秋季物候期大多推迟，植物物候期对气温变化的响应更为敏感。但目前，有关处于典型黄土高原地带的陇中地区典型植物物候期对气候变暖响应的研究报道较少。本文分析了近21a甘肃省定西市安定区典型木本植物和草本植物物候期和生长季的变化趋势，并结合同期气象资料分析植物主要物候期对气候变化的响应特征，以期为掌握气候变暖背景下黄土高原半干旱区物候变化特征，揭示物候对气温变化的响应规律，从而为指导农业生产及区域生态环境重建等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 资料来源

物候和气温资料来源于甘肃省定西市农业气象试验站人工实测资料，资料序列为1994-2014年，观测记录年份共21a。该站属典型的黄土高原半干旱气候，海拔高度1897.2m，年平均气温6.7℃，年降水量为386.6mm，主要集中在6-8月，占全年总降水量的50%以上，年均日照时数2433.0h，无霜期140d左右，雨热同季。木本植物选择当地分布较广、指示性强且开花结实3a以上的中龄树，观测植株固定，草本植物在同一观测点选择3～5株，在萌芽后定株观测，所有植物观测期间，品种并无变化，其定位观测时间、标准、方法统一按照规范[16]要求进行。根据观测时间长、连续性好、代表性强的原则，木本植物选取牡丹（）、旱柳（）、杏树（）、榆树（），草本植物选取车前（）、蒲公英（）。春季物候期包括展叶始期、展叶盛期、开花始期、开花盛期、开花末期，秋季物候期包括黄枯期始期和黄枯期末期。

1.2 数据处理

物候日期均采用年日序的表示方法，即自1月1日至该日期的日数，得到各物候期的时间序列，利用一元线性回归方程分析植物物候期的逐年变化趋势，利用相关系数进行趋势的显著性检验，采用SPSS软件对物候期与气温进行相关分析。以3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12月-翌年2月为冬季。

2 结果与分析

2.1 黄土高原典型植物物候期及其变化

2.1.1 春季物候

由表1可以看出，研究期内，车前、蒲公英的春季物候期（展叶期）出现时间最早，榆树次之，杏树最晚，牡丹、旱柳春季物候期（展叶期）平均出现日期大体一致，相差仅1～2d。草本植物车前、蒲公英展叶期平均出现时间基本一致，木本植物春季物候期平均出现日期差异较大。分析期内，木本植物展叶始期历史最早和最晚出现日期相差20～38d，草本植物达20～36d，这一结果与蒋菊芳等[17]对甘肃河西走廊旱柳、中国槐等典型植物的研究结果相近。

进一步对研究区典型植物春季物候的线性变化趋势的分析可知（表2），自1994年以来，木本植物中，牡丹的展叶和开花期均表现出显著的提前趋势（P＜0.05），其线性变化率达到5d·10a-1以上，21a内提前14d左右。旱柳展叶期的提前则达极显著水平（P＜0.01），变化速率达到8.0～10d·10a-1，21a内提前17～21d；杏树、榆树的春季物候期以及牡丹、旱柳的其它物候期的线性变化趋势则不显著。可见，分析期内，当地几种典型木本植物的物候期变化趋势差异较大，牡丹展叶、开花期变化最明显。

表1 1994-2014年研究区典型植物春季物候期调查结果（月-日）

表2 典型植物春季物候期的线性变化率（d·a-1）

注：*、**分别表示通过0.05和0.01水平的显著性检验。下同。

Note：*is P<0.05，**is P<0.01.The same as below.

对于两种草本植物，分析期内展叶期的提前趋势均达显著水平（P＜0.05），提前速率达到6d·10a-1左右，21a展叶期提前13d左右。车前草的开花期变化不明显，而蒲公英的开花期表现出极显著的提前趋势（P＜0.01），速率达到10d·10a-1左右，21a花期累计提前21d。可见，分析期内草本植物的春季物候期也表现出明显的提前趋势，蒲公英的变化趋势比车前草更明显。从变化速率的数值上看，草本植物（蒲公英）的变化幅度比木本植物（牡丹）更大。

2.1.2 秋季物候

由表3可见，自1994年以来，木本植物中，旱柳、杏树、榆树落叶始期均表现为极显著的推迟趋势（P＜0.01），其线性变化率分别达到18、10和11d·10a-1，21a内推迟23～38d。杏树叶变色末期的推迟也达极显著水平（P＜0.01），其线性变化率达到6.0d·10a-1，旱柳落叶末期亦表现出显著的推迟趋势（P＜0.05），达到10d·10a-1左右水平，21a内落叶期推迟21d左右，牡丹的所有秋季物候期及旱柳、杏树、榆树的其它物候期线性变化趋势则不显著。可以看出，几种典型木本植物的秋季物候变化趋势有很大差异，旱柳落叶期变化最明显。

对于两种草本植物，其叶变色始期和黄枯始期的推迟趋势显著（P＜0.05），推迟速率达5.0～6.0d·10a-1，21a内推迟11～13d，草本植物的秋季物候期表现为明显的推迟趋势，从变化速率的数值来看，车前与蒲公英的变化速率相当。

表3 典型植物秋季物候期的线性变化率（d·a-1）

2.2 黄土高原典型植物物候生长季及其变化分析

植物的展叶始期-落叶末期（草本植物为黄枯末期）为植物的生长季，因而生长季长度为开始展叶-叶落尽的间隔天数[13]。本研究木本植物生长季为展叶始期-落叶末期的间隔天数，草本植物为展叶始期-全枯期的间隔天数。统计结果表明，草本植物车前草、蒲公英生长季平均历期相差不大，分别为235d和233d，木本植物牡丹生长季持续时间最长，为234d，杏树最短，为199d，旱柳、榆树分别为208d和212d，可见，木本植物平均生长季的差异较大。对研究区典型植物生长季的线性变化分析可知（表4），木本植物中，牡丹、旱柳生长季随时间变化表现为极显著的延长趋势（P＜0.01），线性变化率分别为16和19d·10a-1，杏树生长季的延长趋势显著（P＜0.05），线性变化率为7d·10a-1，21a延长15d左右，而榆树生长季的变化不明显。

草本植物车前和蒲公英生长季随时间变化表现为极显著延长趋势（P＜0.01），其线性变化率为12d·10a-1，21a生长季可延长25d左右。可见，近21a来，研究区木本植物与草本植物生长季的变化趋势一致，均表现为生长季的延长趋势，这一结果与近年来其它学者的研究结果一致[10,18-21]。

2.3 黄土高原典型植物物候期对气温变化的响应

2.3.1 气温变化

由图1可见，1994-2014年研究区年平均气温总体呈上升趋势，与全球气温变化的趋势一致，年平均气温变化的气候倾向率为0.503℃·10a-1（P＜0.01），21a上升了约1.1℃。季节气温变化存在明显差异，春季升温趋势最为明显，其气候倾向率为0.816℃·10a-1（P＜0.01），升温幅度高于年平均气温，夏季次之，其气候倾向率为0.508℃·10a-1（P＜0.01），冬季的升温趋势也较明显，其气候倾向率为0.362℃·10a-1（P＜0.05），秋季升温趋势不显著，气候倾向率为0.328℃·10a-1。

表4 典型植物生长季天数随年份变化的统计分析

2.3.2 气温对植物物候期的影响

气温是影响植物物候期的关键气象因子[2]，研究表明，每个物候期的开始日期与前 2～3个月的气温呈显著的相关关系，在中纬度地区，植物春季物候的变化主要取决于气温的高低[22]。统计结果表明，牡丹开花始期多年平均出现日期在5月，其余被调查植物开花始期均在4月。对典型植物开花始期与不同时段气温变化的分析表明（表5），车前开花始期与当月平均气温呈极显著相关（P＜0.01），其它典型植物均与物候期发生上月的平均气温极显著相关（P＜0.01），相关系数在–0.813～–0.652。此外，旱柳、杏树、蒲公英开花始期与开花前第3月的气温变化显著相关（P＜0.05），榆树与前第2月和前第3月平均气温显著相关（P＜0.05），从相关系数的数值来看，榆树物候期发生日期与前1～3个月平均气温的相关系数均大于其它典型植物，且均通过显著或极显著检验，可见，榆树开花期对前期气温变化的敏感性较其它植物高，植物春季物候期开始当月和前1～3个月的气温对物候期的影响最显著，物候期开始当月和前1～3个月气温升高，则物候期提前，这一结果与白洁等[11,14]的研究结果相近。

就季节尺度与年尺度而言，典型植物开花始期与春季温度的相关性最好，相关系数在-0.788～-0.160，牡丹、旱柳、杏树、蒲公英开花始期与春季温度的相关系数均通过0.01水平的显著性检验，榆树、车前通过0.05水平的显著性检验，表明春季气温升高，开花始期将提前。旱柳、杏树、榆树开花始期与前一年冬季平均气温相关性达极显著水平，蒲公英开花始期的出现日期与冬季平均气温的相关性也较好（P＜0.05），但整体来说各典型植物开花始期出现日期与冬季气温的相关性不如春季气温、年平均气温相关性好。

进一步对6种典型植物开花始期与早春（3-4月）平均气温的相关性进行分析，由表5可见，研究区典型植物开花始期与早春（3-4月）平均气温的相关性最好，均达到极显著水平，相关系数在-0.815～-0.527；6种典型植物开花始期随着早春（3-4月）平均气温的升高而提前，早春（3-4月）平均气温每升高1℃，牡丹开花始期提前3.6d，旱柳提前5.8d，杏树提前3.5d，榆树提前3.7d，车前提前4.6d，蒲公英提前6.2d。

表5 典型植物开花始期与不同时段气温的相关系数

2.3.3 春季物候对春季气温变化的响应程度

植物春季物候期出现的早晚主要受春季气温的影响[11]，且春季物候是植物对气候响应最敏感和最易观察的一个要素[10,23]。对典型植物开花始期逐年进行站点平均以后得到定西市典型植物开花始期的时间序列，以春季气温距平为自变量，开花始期距平为因变量，定量分析开花始期对春季气温变化的响应程度。由表6可以看出，研究区植物春季开花始期与春季气温距平呈负相关，其中，除榆树、车前外，其余均达到极显著水平。春季气温每升高1℃，旱柳和蒲公英开花始期分别提前7d和8d，其余植物提前5d左右。

表6 典型植物开花始期距平与春季气温距平的回归分析

Note:AD is the advanced days of first flowering period when the spring temperature rises 1℃.

3 结论与讨论

（1）近21a来，黄土高原半干旱区草本植物春季物候期的出现时间较木本植物变化小，受气候变暖影响，研究区木本植物展叶期历史最早和最晚出现日期相差20～38d，草本植物达20～36d，不同植物、同种植物不同物候期对气候变暖的响应程度存在差异。

（2）除榆树外，研究区典型植物春季物候期（展叶始期、展叶盛期、开花始期、开花盛期、开花末期）均表现为提前的趋势，与华北[2,12]、东北[3]、西北[6-8,11]等地春季物候期的变化趋势基本一致，王焕炯等[24]对中国白蜡树春季物候期变化的研究也得出了相似的结论，不同的是物候期的提前程度不同地区、不同物种间存在差异；研究区植物秋季物候期（黄枯始期、黄枯末期）大都表现为推迟的趋势，这一结果与很多研究得出的秋季物候期推迟的结论一致[11-12,15]，但不同植物物候期推迟的幅度存在差异，这可能是由于植物自身的生物学特性不同而形成的差异。

（3）研究区典型植物生长季均表现为延长的趋势，不同植物其延长程度存在差异，草本植物生长季延长程度差异较小，另外，研究区车前草生长季延长的变化趋势与陈彬彬等[13]对河南林州地区的研究结果相反，可能是由于植物生长环境的差异以及不同区域对气候变暖的响应程度不同所导致。

（4）自1994年以来，研究区气温总体呈显著上升趋势，线性倾向率为0.503℃·10a-1（P＜0.01），即在过去的21a间，年平均气温升高约1.1℃，各季平均气温同年平均气温的变化趋势一致，春季升温最为显著，夏季次之，这一变化趋势构成植物生长季内多年变化的气象背景条件。

（5）除车前开花始期与当月平均气温极显著相关外，其它几种典型植物的开花始期与前1月的平均气温极显著相关，这一结果与其它学者[10-11]的研究结果一致，此外，前1～3个月平均气温对开花期也有显著影响，开花始期开始当月和前1～3个月平均气温升高，开花期将提前。开花始期与早春（3-4月）平均气温相关性达极显著水平，这与郑州[5]地区物候对气温变化响应的研究结果一致。

（6）研究区典型植物春季物候对春季气温的响应甚为敏感，春季气温每升高1℃，研究区主要典型植物开花始期提前5～8d，可见，春季物候期出现的早晚受春季气温的影响明显。

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Phenological Variation and Its Response to Climate Warming in Semi-Arid Region of Loess Plateau

LEI Jun1, 2, 3, YAO Yu-bi1, 2, SUN Run2, GUO Ji-ping2, NIU Hai-yang2

(1.Lanzhou Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration/Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster of Gansu Province/Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster , China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China; 2.Meteorological Bureau of Dingxi of Gansu Province, Dingxi 743000; 3.Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225)

To reveal the response characteristics of typical plant phenology to climate warming in semi-arid region of the Loss plateau, the variation characters of phenophases for typical plant during spring and autumn was investigated by using correlation methods, based on phonological and temperature data from 1994 to 2014. The results showed that the day difference of leaf-expansion stage for herbaceous plant between earliest date and latest date ranged from 20-36d in historical record, and 20-38d for woody pant. The phenology for herbaceous plant in spring showed an advanced trend, and there was a large difference of phenology for woody plants. The leaf-expansion stage of Peony () and Hankow willow () showed an obviously advanced trend. Meanwhile, there was a delay trend in discoloration beginning period and withered beginning period of herbaceous plant, as same as for woody plant, withered the deciduous beginning period in autumn. There was no obviously variation for growing season of Peony, but the growing season of other typical plant increased significantly. The beginning flowering stage was sensitive to temperature in past one month and three months, and temperature from March to May. The beginning flowering stage advanced 5-8d when the temperature increased 1℃. We concluded that the phenology of herbaceous plant in Loss plateau was more sensitive to climate warming than woody plant. For the purpose of ecological restoration, we suggested that choosing insensitive trees to climate warming, including Almond () and Elm (), in vulnerable region of Loss plateau was the best choice.

Phenophases; Woody plant; Herbaceous plant; First blooming period; Growing season; Dingxi

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.01.001

2016-05-26

国家自然科学基金（41575149）；公益性行业（气象）科研重大专项（GYHY201506001-6）

雷俊（1985-），工程师，主要从事农业气象试验及业务工作。E-mail：75267630@163.com

**通讯作者。E-mail：sunrun52995@163.com